Солнечная энергия

Технология  изготовления солнечных коллекторов  достигла практически современного уровня в 1908 году, когда Вильям Бейли  из американской "Carnegie Steel Company" изобрел  коллектор с теплоизолированным корпусом и медными трубками. Этот коллектор весьма походил на современную термосифонную систему (см. ниже). К концу первой мировой войны Бейли продал 4 000 таких коллекторов, а бизнесмен из Флориды, купивший у него патент, к 1941 году продал почти 60 000 коллекторов. Введенное в США во время второй мировой войны нормирование меди привело к резкому падению рынка солнечных обогревателей.

До всемирного нефтяного кризиса 1973 года эти устройства пребывали в забвении. Однако кризис пробудил новый интерес к альтернативным источникам энергии. В результате возрос спрос и на солнечную энергию. Многие страны живо интересуются развитием этой области. Эффективность систем солнечного отопления с 1970-х постоянно возрастает благодаря использованию для покрытия коллекторов закаленного стекла с пониженным содержанием железа (оно пропускает больше солнечной энергии, чем обычное стекло), улучшенной теплоизоляции и прочному селективному покрытию.

2.3 Типы солнечных  коллекторов 

Типичный солнечный  коллектор накапливает солнечную  энергию в установленных на крыше  здания модулях трубок и металлических  пластин, окрашенных в черный цвет для максимального поглощения радиации. Они заключены в стеклянный или пластмассовый корпус и наклонены к югу, чтобы улавливать максимум солнечного света. Таким образом, коллектор представляет собой миниатюрную теплицу, накапливающую тепло под стеклянной панелью. Поскольку солнечная радиация распределена по поверхности, коллектор должен иметь большую площадь.

Существуют  солнечные коллекторы различных  размеров и конструкций в зависимости  от их применения. Они могут обеспечивать хозяйство горячей водой для стирки, мытья и приготовления пищи, либо использоваться для предварительного нагрева воды для существующих водонагревателей. В настоящее время рынок предлагает множество различных моделей коллекторов. Их можно разделить на несколько категорий. К примеру, различают несколько видов коллекторов в соответствии с температурой, которую они дают:

Низкотемпературные коллекторы производят низкопотенциальное тепло, ниже 50 градусов Цельсия. Используются они для подогрева воды в бассейнах  и в других случаях, когда требуется не слишком горячая вода.

Среднетемпературные коллекторы производят высоко- и среднепотенциальное  тепло (выше 50 С, обычно 60-80 С). Обычно это  остекленные плоские коллекторы, в которых теплопередача совершается  посредством жидкости, либо коллекторы-концентраторы, в которых тепло концентрируется. Представителем последних является коллектор вакуумированный трубчатый, который часто используется для нагрева воды в жилом секторе.

Высокотемпературные коллекторы представляют собой параболические тарелки и используются в основном электрогенерирующими предприятиями для производства электричества для электросетей.

2.4 Принцип действия

Воздушные солнечные  коллекторы можно разделить на группы по способу циркуляции воздуха. В  простейшем из них воздух проходит через коллектор под поглотителем. Этот вид коллектора пригоден только для подъема температуры на 3-5 оC из-за высоких потерь тепла на поверхности коллектора через конвекцию и излучение. Эти потери можно значительно снизить, накрыв поглотитель прозрачным материалом с низкой проводимостью инфракрасного излучения. В таком коллекторе поток воздуха возникает либо под поглотителем, либо между поглотителем и прозрачным покрытием. Благодаря прозрачной крышке излучение тепла с поглотителя снижается незначительно, но из-за снижения конвективных теплопотерь можно достичь подъема температуры на 20-50 оC в зависимости от количества солнечной радиации и интенсивности воздушного потока. Можно добиться дальнейшего снижения тепловых потерь, проведя воздушный поток и над поглотителем и под ним, так как при этом удваивается площадь поверхности теплопередачи. Потери тепла из-за излучения при этом снизятся благодаря пониженной температуре поглотителя. Однако одновременно происходит и снижение поглотительной способности абсорбера из-за наслоения пыли, если воздушный поток проходит с обеих сторон поглотителя.

Некоторые солнечные  коллекторы позволяют снизить затраты  за счет отказа от остекления, металлического ящика и теплоизоляции. Такой  коллектор изготавливают из черных перфорированных металлических листов, которые позволяют достичь хорошего теплообмена. Солнце нагревает металл, а вентилятор втягивает нагретый воздух сквозь отверстия в металле. Такие коллекторы разного размера используются в частных домах. Типичный коллектор размером 2,4 на 0,8 метра может нагревать 0,002 м3 наружного воздуха в секунду. В солнечный зимний день воздух в коллекторе нагревается на 28 оC по сравнению с наружным. При этом улучшается качество воздуха внутри дома, так как коллектор непосредственно нагревает поступающий снаружи свежий воздух. Эти коллекторы достигли очень высокой эффективности - в некоторых случаях промышленного применения она превышает 70%. К тому же они не требуют остекления, изоляции и дешевы в изготовлении.

2.5 Концентраторы 

Фокусирующие  коллекторы (концентраторы) используют зеркальные поверхности для концентрации солнечной энергии на поглотителе, который также называется "теплоприемник". Достигаемая ими температура  значительно выше, чем на плоских  коллекторах, однако они могут концентрировать только прямое солнечное излучение, что приводит к плохим показателям в туманную или облачную погоду. Зеркальная поверхность фокусирует солнечный свет, отраженный с большой поверхности, на меньшую поверхность абсорбера, благодаря чему достигается высокая температура. В некоторых моделях солнечное излучение концентрируется в фокусной точке, тогда как в других лучи солнца концентрируются вдоль тонкой фокальной линии. Приемник расположен в фокусной точке или вдоль фокальной линии. Жидкость-теплоноситель проходит через приемник и поглощает тепло. Такие коллекторы-концентраторы наиболее пригодны для регионов с высокой инсоляцией - близко к экватору и в пустынных районах.

Концентраторы работают лучше всего тогда, когда  они обращены прямо к Солнцу. Для этого используются следящие устройства, которые в течение дня поворачивают коллектор "лицом" к Солнцу. Одноосные следящие устройства поворачиваются с востока на запад; двуосные - с востока на запад и с севера на юг (чтобы следить за движением Солнца по небу в течение года). Концентраторы используются в основном в промышленных установках, так как они дороги, а следящие устройства нуждаются в постоянном уходе. В некоторых бытовых солнечных энергосистемах используются параболические концентраторы. Эти установки применяются для горячего водоснабжения, отопления и очистки воды. В бытовых системах применяются в основном одноосные следящие устройства - они дешевле и проще двуосных. Больше информации о концентраторах вы найдете в главе о солнечных тепловых электростанциях.

3. ПРОМЫШЛЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛА

Не только домашние хозяйства, но и предприятия используют солнечные водонагреватели для  предварительного подогрева воды перед  последующим применением других методов, чтобы довести ее до кипения или испарения. Меньшая зависимость от колеблющихся цен на энергоносители - еще один фактор, делающий солнечные системы привлекательным вложением денег. Обычно, установка солнечного водонагревателя влечет за собой быструю и существенную экономию энергии. В зависимости от необходимого объема горячей воды и местного климата, предприятие может сэкономить 40-80% стоимости электричества и других энергоносителей. Например, ежедневная потребность в горячей воде в 24-этажном офисном здании Кук Джей в Сеуле (Южная Корея), обеспечивается более чем на 85% за счет солнечной водонагревательной системы. Система работает с 1984 года. Она оказалась настолько эффективной, что перекрыла плановые показатели и обеспечивает, сверх того, от 10 до 20 % годовой потребности в отоплении.

Существует  несколько разных видов солнечных  водонагревательных систем. Однако, количество горячей воды, которое обычно требуется  предприятию, можно обеспечить только при помощи активной системы. Активная система обычно состоит из солнечных коллекторов, установленных на южном скате крыши (в Северном полушарии) и бака-накопителя, установленного возле солнечного коллектора. Когда на панель попадает достаточно солнечной радиации, специальный регулятор приводит в действие насос, который начинает прогонять жидкость - воду или антифриз - через солнечную панель. Жидкость принимает тепло от коллектора и передает его резервуару с водой, где она хранится, пока не понадобится. Если солнечная система не нагрела воду до нужной температуры, может использоваться дополнительный источник энергии. Тип и размер системы определяются по тому же принципу, что и размер солнечного коллектора для жилого дома. Уход за промышленными солнечными системами зависит от типа и размеров системы, однако, благодаря ее простоте, ей требуется минимальный уход.

Для многих видов  коммерческой и промышленной деятельности самое большое преимущество солнечного коллектора - экономия топлива и  энергии. Однако, нельзя забывать и  о существенных экологических преимуществах. Выбросы в атмосферу таких загрязнителей, как сернистый газ, угарный газ и закись азота уменьшаются, когда владелец фирмы решает воспользоваться более чистым источником энергии - Солнцем.

4. СОЛНЕЧНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

В дополнение к  прямому использованию солнечного тепла, в регионах с высоким уровнем солнечной радиации ее можно использовать для получения пара, который вращает турбину и вырабатывает электроэнергию. Производство солнечной тепловой электроэнергии в крупных масштабах достаточно конкурентоспособно. Промышленное применение этой технологии берет свое начало в 1980-х; с тех пор эта отрасль быстро развивалась. В настоящее время энергокомпаниями США уже установлено более 400 мегаватт солнечных тепловых электростанций, которые обеспечивают электричеством 350 000 человек и замещают эквивалент 2,3 млн баррелей нефти в год. Девять электростанций, расположенных в пустыне Мохаве (в американском штате Калифорния) имеют 354 МВт установленной мощности и накопили 100 лет опыта промышленной эксплуатации. Эта технология является настолько развитой, что, по официальным сведениям, может соперничать с традиционными электрогенерирующими технологиями во многих районах США. В других регионах мира также скоро должны быть начаты проекты по использованию солнечного тепла для выработки электроэнергии. Индия, Египет, Марокко и Мексика разрабатывают соответствующие программы, гранты для их финансирования предоставляет Глобальная программа защиты окружающей среды (GEF). В Греции, Испании и США новые проекты разрабатываются независимыми производителями электроэнергии.

По способу  производства тепла солнечные тепловые электростанции подразделяют на солнечные  концентраторы (зеркала) и солнечные  пруды.

4.1 Солнечные  концентраторы 

Такие электростанции концентрируют солнечную энергию при помощи линз и рефлекторов. Так как это тепло можно хранить, такие станции могут вырабатывать электричество по мере надобности, днем и ночью, в любую погоду.

Большие зеркала - с точечным либо линейным фокусом - концентрируют солнечные лучи до такой степени, что вода превращается в пар, выделяя при этом достаточно энергии для того, чтобы вращать турбину. Фирма "Luz Corp." установила огромные поля таких зеркал в калифорнийской пустыне. Они производят 354 МВт электроэнергии. Эти системы могут превращать солнечную энергию в электричество с КПД около 15 %.

Технологии  получения солнечной тепловой электроэнергии, основанные на концентрации солнечного света, находятся на разных этапах разработки. Параболические концентраторы уже  сегодня применяются в промышленном масштабе: в пустыне Мохаве (штат Калифорния) мощность установки составляет 354 МВт. Солнечные электростанции башенного типа проходят фазу демонстрационных проектов. Пилотный проект под названием "Solar Two" мощностью 10 МВт проходит испытания в г. Барстоу (США). Системы тарельчатого типа проходят стадию демонстрационных проектов. Несколько проектов находятся в конструкторской разработке. В г. Голден (США) работает 25-киловаттная станция-прототип. Солнечные тепловые электростанции отличает ряд особенностей, которые делают их весьма привлекательными технологиями на расширяющемся мировом рынке возобновляемой энергии.

Тепловые солнечные  электростанции за последние несколько  десятилетий преодолели трудный  путь. Продолжение проектно-конструкторских  работ должно сделать эти системы более конкурентоспособными по сравнению с использованием ископаемого топлива, увеличить их надежность и создать серьезную альтернативу в условиях всевозрастающего спроса на электроэнергию.

4.2 Солнечные пруды

Ни фокусирующие зеркала, ни солнечные фотоэлементы (см. ниже) не могут вырабатывать энергию в ночное время. Для этой цели солнечную энергию, накопленную днем, нужно сохранять в теплоаккумулирующих баках. Этот процесс естественным образом происходит в так называемых солнечных прудах.

Солнечные пруды имеют  высокую концентрацию соли в придонных  слоях воды, неконвективный средний  слой воды, в котором концентрация соли возрастает с глубиной и конвекционный  слой с низкой концентрацией соли - на поверхности. Солнечный свет падает на поверхность пруда, и тепло удерживается в нижних слоях воды благодаря высокой концентрации соли. Вода высокой солености, нагретая поглощенной дном пруда солнечной энергией, не может подняться из-за своей высокой плотности. Она остается у дна пруда, постепенно нагреваясь, пока почти не закипает (в то время как верхние слои воды остаются относительно холодными). Горячий придонный "рассол" используется днем или ночью в качестве источника тепла, благодаря которому особая турбина с органическим теплоносителем может вырабатывать электричество. Средний слой солнечного пруда выступает в качестве теплоизоляции, препятствуя конвекции и потерям тепла со дна на поверхность. Разница температур на дне и на поверхности воды пруда достаточна для того, чтобы привести в действие генератор. Теплоноситель, пропущенный по трубам через нижний слой воды, подается далее в замкнутую систему Рэнкина, в которой вращается турбина для производства электричества.